EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE VENTILAÇÃO AXIAL

Adson Bezerra Moreira1, Ricardo Silva Thé Pontes2, Davi Nunes Oliveira2, Vanessa Siqueira de Castro Teixeira1, Victor de Paula Brandão Aguiar3.

1Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará – Campus de Sobral, Av. Anahid Andrade,471,Centro, Sobral-CE. Fone:(88)3613-2829.

2Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, Av. Eng. Humberto Monte, s/n, Campus do Pici,Fortaleza-CE. Fone:(85)3366-9579.

3Departamento de Engenharia e Física da Universidade Federal de Rondônia, Av. Presidente Dutra, 2965 - Centro, Porto Velho - RO.

Abstract: This paper aims to quantify the reduction of the active power in the axial ventilation systems according to the outflow reduction method by speed variation when compared with the throttling by valve method. The rotation speed is regulated by using frequency converter. The methods analyse is based on experimentally data collected in the Laboratory of Energy Efficiency in Industrial Motion Systems (LAMOTRIZ) at the Federal University of Ceará. Copyright © 2009 CBEE/ABEE Keywords: Axial Ventilation System, Flow Reduction, Active Power Reduction, Adjust Speed, frequency converter, Throttling by Valve. Resumo: Este artigo tem como objetivo quantificar a redução de potência ativa em um sistema de ventilação axial, segundo o método da redução de vazão com ajuste na velocidade de rotação do ventilador, quando comparado ao método de estrangulamento por válvula. A variação da velocidade de rotação é executada por um conversor de freqüência. A análise dos métodos foi baseada em dados experimentais coletados no Laboratório de Eficiência Energética em Sistemas Motrizes Industriais (LAMOTRIZ) da Universidade Federal do Ceará. Palavras Chaves: Sistema de Ventilação Axial, Redução de Vazão, Redução de Potência Ativa, Variação de Velocidade, Conversor de Freqüência, Estrangulamento por Válvula.

1 INTRODUÇÃO

O consumo de energia elétrica no Brasil alcançou 359,6 TWh em 2004. Deste consumo total, o setor industrial foi responsável por 47,9% energia elétrica segundo o Ministério de Minas e Energia (2005).

Analisando as diversas cargas presentes no setor industrial, observa-se que os sistemas motrizes são responsáveis por aproximadamente 62% do consumo de eletricidade. Desta forma, evidencia-se que medidas podem ser tomadas para a redução do consumo de energia destas cargas em seu processo de operação, segundo Moreira (2006) e Moreira et al.(2006).

Neste artigo são estudados dois métodos para o ajuste da vazão em sistemas de ventilação axial: controle com o uso de válvula de estrangulamento e controle com o uso de conversor de freqüência. Os dois métodos são analisados e comparados, através de medições experimentais, visando determinar qual deles garante que o sistema de ventilação opere com menor consumo de energia elétrica, mensurando a economia alcançada.

Os resultados experimentais obtidos nesse trabalho foram realizados na bancada de ventilação do Laboratório de Eficiência Energética em Sistemas Motrizes Industriais (LAMOTRIZ/UFC), a qual opera segundo os dois métodos de controle de vazão apresentados.

2 BANCADA DE VENTILAÇÃO AXIAL

A Figura 1 descreve a configuração da bancada de ventilação axial instalada no LAMOTRIZ/UFC por meio de um diagrama esquemático. Os elementos deste sistema são detalhados na Tabela 1.

O ventilador axial, o motor de indução trifásico (MIT) e o conversor de freqüência apresentam potências nominais de 1,1 kW (1,5 CV).

O multimedidor utilizado na monitoração das grandezas elétricas apresenta categoria de medição III, sendo que, juntamente com o seu respectivo software, são adquiridas via rede as formas de onda das tensões e correntes nas três fases, bem como seus respectivos espectros harmônicos, além de outros dados elétricos como: potência ativa, reativa e aparente; fator de potência; e energia consumida.

Os sinais de saída de todos os sensores anteriormente descritos são enviados a um controlador lógico programável (CLP) de forma a tornar a bancada totalmente automática. Também, estes sensores enviam sinais para: o fechamento/abertura dos contactores (K1 e K2), a operação da válvula de estrangulamento e do conversor.

Tabela 1: Elementos da Bancada de Testes do LAMOTRIZ/UFC.

Item Descrição Item Descrição

R, S e T Fases MED Multimedidor

D Disjuntor K Contactor

CON Conversor EN Encoder

PD Transdutor de Pressão

TT Transdutor de Temperatura

TC Transdutor de Corrente

TP Transdutor de Pressão

VE Válvula de Estrangulamento

SV Sensor de Vazão

3 CONTROLE DA VAZÃO

No estudo de sistemas de ventilação, diversos valores são apresentados na forma de curvas em função da vazão (Q) e da carga (H) . Tanto o ventilador quanto a instalação na qual ele está inserido apresentam a sua curva H x Q.

Figura 1: Bancada de ventilação axial do LAMOTRIZ/UFC.

O ponto de operação do sistema, (Qop, Hop), é determinado pelo cruzamento das curvas de carga do ventilador e da instalação conforme é mostrado na Figura 2.

A variação de vazão em alguns processos industriais exige que o ponto de operação do sistema seja modificado. Esta variação pode ser obtida a partir da alteração da curva do ventilador ou da instalação. As subseções 3.1 e 3.2 descrevem estas duas formas de controle de vazão em estudo.

3.1 Variação da Curva da Instalação

A curva da instalação é definida como a energia exigida para o transporte do fluido no interior do duto, sendo calculada por (1):

( ) ( )inst g instH Q H J Q= + , (1)

onde Hg representa a altura geométrica – praticamente constante com a vazão – e Jinst a perda de carga existente no deslocamento do fluido no interior do duto. A perda de carga (Jinst) é calculada em função da vazão conforme é mostrado em (2).

( )( )

252

8Q

dg

LLFQJ

e

eqrRinst ⋅

⋅⋅

+⋅⋅=

π, (2)

onde Lr é a distância percorrida pelo fluido nos dutos retos, Leq é o comprimento equivalente dos acessórios de duto reto, de é o diâmetro do duto, g é a aceleração da gravidade e FR é o fator de resistência do duto.

O método de estrangulamento por válvula é o mais utilizado para o ajuste da curva da instalação. Este é baseado na inserção ou retirada das perdas de carga localizadas em uma válvula controlada por meio do seu fechamento ou abertura.

A Figura 3 ilustra a obtenção de diferentes pontos de operação através da variação da curva da instalação. A curva de instalação 1, quando interceptada pela curva do ventilador, define o ponto de operação (Q1; H1). Elevando-se a perda de carga do sistema, é obtida uma nova curva de instalação (curva 2) que define um novo ponto de operação (Q2; H2) onde H2 > H1. Logo, ocorre a redução da vazão uma vez que Q2 < Q1.

3.2 Variação da Curva do Ventilador Axial

A curva característica do ventilador representa o comportamento da carga em função da vazão volumétrica quando o ventilador opera a velocidade constante.

0

20

40

60

80

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Q, [m 3/s]

H, [Pa]

Instalação

opQ

Ventilador

Pontode

operaçãoopH

Figura 2: Curva de carga (H) versus Vazão (Q) do sistema de ventilação axial.

0

20

40

60

80

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Q, [m 3/s]

H, [Pa]

Ventilador

12

1Q

1H

2Q

2H

Figura 3: Controle de vazão por estrangulamento de damper.

As grandezas características do ventilador tais como vazão e carga variam em função da velocidade de rotação (ω ). Estas variações são determinadas pelas relações (3) e (4) segundo Viana (2002).

2

1

2

1

ωω

=Q

Q (3)

2

1 1

2 2

H

H

ω=

ω (4)

A Figura 4 ilustra a obtenção de diferentes pontos de operação através da variação da curva H vs Q do ventilador axial. A curva 1 opera a uma velocidade de rotação ω1. Quando esta curva é interceptada pela curva da instalação, define-se o ponto de operação (Q1; H1). Reduzindo a velocidade do ventilador para ω2 e aplicando (3) e (4) a cada ponto da curva 1, uma nova curva 2 é obtida que, por sua vez, define um novo ponto de operação (Q2; H2) onde H2 < H1. Observa-se que novamente ocorre uma redução da vazão, pois Q2 < Q1.

4 POTÊNCIA MECÂNICA

Para que o ventilador forneça carga ao fluido, é necessária a inserção de potência mecânica (PC) no seu eixo. A potência mecânica do ventilador, por sua vez, também é função velocidade de rotação (Viana, 2002) conforme é mostrado em (5).

3

2

1

2

1

=

−

−

ωω

C

C

P

P (5)

A partir de (5), observa-se que a potência mecânica requerida pelo ventilador tende a reduzir com o cubo da redução de velocidade. Entretanto, vale ressaltar que esta equação não se aplica a um ponto em partircular, mas a todos os pontos sobre a curva PC vs Q. Assim, aplicando-se (3) e (5) a cada ponto da curva de potência mecânica do ventilador à rotação ω1, obtém-se a curva PC vs Q para ω2.

A Figura 5 ilustra o comportamento da variação da potência mecânica utilizando o método de controle de vazão com o uso de válvula de estrangulamento e o controle de vazão a partir da variação de velocidade de rotação.

Reduzindo-se a vazão de Q1 para Q2 – com o uso da válvula de estrangulamento – a potência mecância desloca-se de PC-1 para PC-2 (val), sendo PC-1 < PC-2 (val). Por outro lado, ao variar a velocidade de rotação – com o uso do conversor de frequência – a potência mecânica desloca-se de PC-1 para PC-2 (vel), onde PC-2 (vel) < PC-1.

Verifica-se que, para uma mesma vazão, a operação com o uso de válvula de estrangulamento requer maior potência mecânica do que a operação com o uso de conversor de frequência.

0

20

40

60

80

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Q, [m 3/s]

H, [Pa]

2Q 1Q

1H

2H 1ω

2ω

1

2

Figura 4: Controle de vazão por variação de velocidade.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Q, [m 3/s]

PC, [W]

Ventilador

1ω

2ω

C 1P −

2Q

C 2 (vel)P −

1Q

C 2(val)P −2

1

Figura 5: Potência mecânica do ventilador (PC) em função do método de controle de vazão.

5 RESULTADOS

Os resultados experimentais foram realizados na bancada de ventilação do LAMOTRIZ/UFC. A Fig. 6 mostra as curvas de potência ativa versus vazão. Para traçar as curvas de potência em dada frequência de operação, foram medidas as potências ativas requeridas pelo sistema para vários valores de vazão. De posse desses pontos, polinômios forma utilizados para estimar o comportamento contínuo das curvas.

Na indústria, a operação a partir da válvula de estrangulamento é realizada, em geral, à frequência da rede (60 Hz).

Nota-se que, para uma dada vazão desejada (Qdes), quanto menor a freqüência, menor é a potência ativa requerida pelo conjunto MIT, ventilador axial e conversor de freqüência. Ainda na Fig. 6, para uma mesma vazão, por exemplo Qdes = 3 m³/s, tem-se que a potência ativa requerida pelo sistema varia conforme mostra a Tabela 2.

Com objetivo de demonstrar a economia de energia elétrica obtida com o uso do metodo de controle de vazao por meio da variacao de velocidade, são traçadas

as curvas de potência ativa economizada em função da vazão desejada – PAeco(Qdes) – ilustrada na Fig. 7.

Tabela 2: Variação da potência ativa em relação freqüência para vazão Qdes = 3 m³/s.

Frequência de operação – fr [Hz]

Potência ativa – PA [W]

60 980

55 825

50 620

45 460

Os valores de potência ativa economizada são determinados a partir das curvas indicadas na Fig. 6, aplicando (6):

( ) ( ) ( )( )

val des vel deseco des

val des

PA Q PA QPA Q

PA Q

−= , (6)

onde PAval e PAvel são, respectivamente, as potências ativas requeridas segundo o método de estrangulamento por válvula e variação de velocidade. Nota-se que PAval,

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Q, [m3/s]

PA, [W

] 60 Hz

55Hz

50 Hz

45Hz

40 Hz

30 Hz25Hz

35H z

velPA 2

velPA 3

velPA 1

valPA

desQ

Figura 6: Curvas de potência ativa (PA) para várias freqüências.

Figura 7: Curvas de potência ativa economizada (PAE) para várias freqüências.

é a curva de potência ativa versus vazão para rotação nominal, ou seja, para frequência à 60 Hz.

Analisando a Fig. 7, verifica-se que para uma mesma freqüência, o percentual de potência ativa economizada é praticamente constante com a vazão, ou seja, este depende da freqüência.

A curva do percentual de potência ativa economizada em função da frequência, apresentada na Fig. 8, calculada a partir da Fig. 7. Ela indica que quanto menor a freqüência de maior o percentual de potência ativa economizada.

6 CONCLUSÕES

Com base nos experimentos realizados, o presente trabalho confirma que a redução da vazão por meio da variação de velocidade – com o uso do conversor de freqüência – proporciona ao conjunto MIT-ventilador axial uma redução da potência ativa requerida quando comparada ao uso de válvula de estrangulamento.

A redução de potência está relacionada à frequência de saída do conversor: quanto menor a frequência, maior o percentual de economia.

O conversor de freqüência pode proporcionar economia de energia elétrica no controle de vazão a partir da redução de freqüência, gerando uma redução de potência ativa no acionamento do sistema de ventilação axial na ordem de 19 a 90 % em relação à operação de estrangulamento por válvula.

7 REFERÊNCIAS

Ministério das Minas e Energia (2005). Balanço de Energia Útil. Brasília.

Moreira, A. B. (2006). Análise da Operação de Sistemas de Ventilação Industrial Visando à Eficiência Energética.. Dissertação submetida à Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. Fortaleza-CE.

Moreira, A. B., Rogério Júnior, C. S., Pontes, R. S. T., Cavalcante Neto, T. N., Holanda, C. A. M. (2006). Análise da Operação de Sistemas de Ventilação Industrial Visando à Eficiência

Energética. Artigo apresentado no VII INDUSCON, Recife-Pe.

Viana, C. N. A. (2002). Manual do Programa de Eficientização Industrial - Módulo: Ventiladores e Exaustores. ELETROBRÁS / PROCEL, Rio de Janeiro.

Figura 8: Potência ativa economizada (PAE) em função da freqüência.